Integration of research advances in modelling and monitoring in support of WFD river basin management planning in the context of climate change

The integration of scientific knowledge about possible climate change impacts on water resources has a direct implication on the way water policies are being implemented and evolving. This is particularly true regarding various technical steps embedded into the EU Water Framework Directive river basin management planning, such as risk characterisation, monitoring, design and implementation of action programmes and evaluation of the "good status" objective achievements (in 2015). The need to incorporate climate change considerations into the implementation of EU water policy is currently discussed with a wide range of experts and stakeholders at EU level. Research trends are also on-going, striving to support policy developments and examining how scientific findings and recommendations could be best taken on board by policy-makers and water managers within the forthcoming years. This paper provides a snapshot of policy discussions about climate change in the context of the WFD river basin management planning and specific advancements of related EU-funded research projects. Perspectives for strengthening links among the scientific and policy-making communities in this area are also highlighted.

Integrated assessment of policy interventions for promoting sustainable irrigation in semi-arid environments: A hydro-economic modeling approach

Sustaining irrigated agriculture to meet food production needs while maintaining aquatic ecosystems is at the heart of many policy debates in various parts of the world, especially in arid and semi-arid areas. Researchers and practitioners are increasingly calling for integrated approaches, and policy-makers are progressively supporting the inclusion of ecological and social aspects in water management programs. This paper contributes to this policy debate by providing an integrated economic-hydrologic modeling framework that captures the socio-economic and environmental effects of various policy initiatives and climate variability. This modeling integration includes a risk-based economic optimization model and a hydrologic water management simulation model that have been specified for the Middle Guadiana basin, a vulnerable drought-prone agro-ecological area with highly regulated river systems in southwest Spain. Namely, two key water policy interventions were investigated: the implementation of minimum environmental flows (supported by the European Water Framework Directive, EU WFD), and a reduction in the legal amount of water delivered for irrigation (planned measure included in the new Guadiana River Basin Management Plan, GRBMP, still under discussion). Results indicate that current patterns of excessive water use for irrigation in the basin may put environmental flow demands at risk, jeopardizing the WFD s goal of restoring the ?good ecological status? of water bodies by 2015. Conflicts between environmental and agricultural water uses will be stressed during prolonged dry episodes, and particularly in summer low-flow periods, when there is an important increase of crop irrigation water requirements. Securing minimum stream flows would entail a substantial reduction in irrigation water use for rice cultivation, which might affect the profitability and economic viability of small rice-growing farms located upstream in the river. The new GRBMP could contribute to balance competing water demands in the basin and to increase economic water productivity, but might not be sufficient to ensure the provision of environmental flows as required by the WFD. A thoroughly revision of the basin s water use concession system for irrigation seems to be needed in order to bring the GRBMP in line with the WFD objectives. Furthermore, the study illustrates that social, economic, institutional, and technological factors, in addition to bio-physical conditions, are important issues to be considered for designing and developing water management strategies. The research initiative presented in this paper demonstrates that hydro-economic models can explicitly integrate all these issues, constituting a valuable tool that could assist policy makers for implementing sustainable irrigation policies.

Propuesta metodológica para el análisis y protección de la calidad del agua subterránea de acuerdo con los requerimientos de la Directiva Marco y la Directiva derivada de Aguas Subterráneas

La protección de las aguas subterráneas es una prioridad de la política medioambiental de la UE. Por ello ha establecido un marco de prevención y control de la contaminación, que incluye provisiones para evaluar el estado químico de las aguas y reducir la presencia de contaminantes en ellas. Las herramientas fundamentales para el desarrollo de dichas políticas son la Directiva Marco del Agua y la Directiva Hija de Aguas Subterráneas. Según ellas, las aguas se consideran en buen estado químico si: • la concentración medida o prevista de nitratos no supera los 50 mg/l y la de ingredientes activos de plaguicidas, de sus metabolitos y de los productos de reacción no supera el 0,1 μg/l (0,5 μg/l para el total de los plaguicidas medidos) • la concentración de determinadas sustancias de riesgo es inferior al valor umbral fijado por los Estados miembros; se trata, como mínimo, del amonio, arsénico, cadmio, cloruro, plomo, mercurio, sulfatos, tricloroetileno y tetracloroetileno • la concentración de cualquier otro contaminante se ajusta a la definición de buen estado químico enunciada en el anexo V de la Directiva marco sobre la política de aguas • en caso de superarse el valor correspondiente a una norma de calidad o a un valor umbral, una investigación confirma, entre otros puntos, la falta de riesgo significativo para el medio ambiente. Analizar el comportamiento estadístico de los datos procedentes de la red de seguimiento y control puede resultar considerablemente complejo, debido al sesgo positivo que suelen presentar dichos datos y a su distribución asimétrica, debido a la existencia de valores anómalos y diferentes tipos de suelos y mezclas de contaminantes. Además, la distribución de determinados componentes en el agua subterránea puede presentar concentraciones por debajo del límite de detección o no ser estacionaria debida a la existencia de tendencias lineales o estacionales. En el primer caso es necesario realizar estimaciones de esos valores desconocidos, mediante procedimientos que varían en función del porcentaje de valores por debajo del límite de detección y el número de límites de detección aplicables. En el segundo caso es necesario eliminar las tendencias de forma previa a la realización de contrastes de hipótesis sobre los residuos. Con esta tesis se ha pretendido establecer las bases estadísticas para el análisis riguroso de los datos de las redes de calidad con objeto de realizar la evaluación del estado químico de las masas de agua subterránea para la determinación de tendencias al aumento en la concentración de contaminantes y para la detección de empeoramientos significativos, tanto en los casos que se ha fijado un estándar de calidad por el organismo medioambiental competente como en aquéllos que no ha sido así. Para diseñar una metodología que permita contemplar la variedad de casos existentes, se han analizado los datos de la Red Oficial de Seguimiento y Control del Estado Químico de las Aguas Subterráneas del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente (Magrama). A continuación, y dado que los Planes Hidrológicos de Cuenca son la herramienta básica de las Directivas, se ha seleccionado la Cuenca del Júcar, dada su designación como cuenca piloto en la estrategia de implementación común (CIS) de la Comisión Europea. El objetivo principal de los grupos de trabajo creados para ello se dirigió a implementar la Directiva Derivada de Agua Subterráneas y los elementos de la Directiva Marco del Agua relacionadas, en especial la toma de datos en los puntos de control y la preparación del primer Plan de Gestión de Cuencas Hidrográficas. Dada la extensión de la zona y con objeto de analizar una masa de agua subterránea (definida como la unidad de gestión en las Directivas), se ha seleccionado una zona piloto (Plana de Vinaroz Peñiscola) en la que se han aplicado los procedimientos desarrollados con objeto de determinar el estado químico de dicha masa. Los datos examinados no contienen en general valores de concentración de contaminantes asociados a fuentes puntuales, por lo que para la realización del estudio se han seleccionado valores de concentración de los datos más comunes, es decir, nitratos y cloruros. La estrategia diseñada combina el análisis de tendencias con la elaboración de intervalos de confianza cuando existe un estándar de calidad e intervalos de predicción cuando no existe o se ha superado dicho estándar. De forma análoga se ha procedido en el caso de los valores por debajo del límite de detección, tomando los valores disponibles en la zona piloto de la Plana de Sagunto y simulando diferentes grados de censura con objeto de comparar los resultados obtenidos con los intervalos producidos de los datos reales y verificar de esta forma la eficacia del método. El resultado final es una metodología general que integra los casos existentes y permite definir el estado químico de una masa de agua subterránea, verificar la existencia de impactos significativos en la calidad del agua subterránea y evaluar la efectividad de los planes de medidas adoptados en el marco del Plan Hidrológico de Cuenca. ABSTRACT Groundwater protection is a priority of the EU environmental policy. As a result, it has established a framework for prevention and control of pollution, which includes provisions for assessing the chemical status of waters and reducing the presence of contaminants in it. The measures include: • criteria for assessing the chemical status of groundwater bodies • criteria for identifying significant upward trends and sustained concentrations of contaminants and define starting points for reversal of such trends • preventing and limiting indirect discharges of pollutants as a result of percolation through soil or subsoil. The basic tools for the development of such policies are the Water Framework Directive and Groundwater Daughter Directive. According to them, the groundwater bodies are considered in good status if: • measured or predicted concentration of nitrate does not exceed 50 mg / l and the active ingredients of pesticides, their metabolites and reaction products do not exceed 0.1 mg / l (0.5 mg / l for total of pesticides measured) • the concentration of certain hazardous substances is below the threshold set by the Member States concerned, at least, of ammonium, arsenic, cadmium, chloride, lead, mercury, sulphates, trichloroethylene and tetrachlorethylene • the concentration of other contaminants fits the definition of good chemical status set out in Annex V of the Framework Directive on water policy • If the value corresponding to a quality standard or a threshold value is exceeded, an investigation confirms, among other things, the lack of significant risk to the environment. Analyzing the statistical behaviour of the data from the monitoring networks may be considerably complex due to the positive bias which often presents such information and its asymmetrical distribution, due to the existence of outliers and different soil types and mixtures of pollutants. Furthermore, the distribution of certain components in groundwater may have concentrations below the detection limit or may not be stationary due to the existence of linear or seasonal trends. In the first case it is necessary to estimate these unknown values, through procedures that vary according to the percentage of values below the limit of detection and the number of applicable limits of detection. In the second case removing trends is needed before conducting hypothesis tests on residuals. This PhD thesis has intended to establish the statistical basis for the rigorous analysis of data quality networks in order to conduct the evaluation of the chemical status of groundwater bodies for determining upward and sustained trends in pollutant concentrations and for the detection of significant deterioration in cases in which an environmental standard has been set by the relevant environmental agency and those that have not. Aiming to design a comprehensive methodology to include the whole range of cases, data from the Groundwater Official Monitoring and Control Network of the Ministry of Agriculture, Food and Environment (Magrama) have been analysed. Then, since River Basin Management Plans are the basic tool of the Directives, the Júcar river Basin has been selected. The main reason is its designation as a pilot basin in the common implementation strategy (CIS) of the European Commission. The main objective of the ad hoc working groups is to implement the Daughter Ground Water Directive and elements of the Water Framework Directive related to groundwater, especially the data collection at control stations and the preparation of the first River Basin Management Plan. Given the size of the area and in order to analyze a groundwater body (defined as the management unit in the Directives), Plana de Vinaroz Peñíscola has been selected as pilot area. Procedures developed to determine the chemical status of that body have been then applied. The data examined do not generally contain pollutant concentration values associated with point sources, so for the study concentration values of the most common data, i.e., nitrates and chlorides have been selected. The designed strategy combines trend analysis with the development of confidence intervals when there is a standard of quality and prediction intervals when there is not or the standard has been exceeded. Similarly we have proceeded in the case of values below the detection limit, taking the available values in Plana de Sagunto pilot area and simulating different degrees of censoring in order to compare the results obtained with the intervals achieved from the actual data and verify in this way the effectiveness of the method. The end result is a general methodology that integrates existing cases to define the chemical status of a groundwater body, verify the existence of significant impacts on groundwater quality and evaluate the effectiveness of the action plans adopted in the framework of the River Basin Management Plan.

Participatory modelling to support decision making in water management under uncertainty: Two comparative case studies in the Guadiana river basin, Spain.

A participatory modelling process has been conducted in two areas of the Guadiana river (the upper and the middle sub-basins), in Spain, with the aim of providing support for decision making in the water management field. The area has a semi-arid climate where irrigated agriculture plays a key role in the economic development of the region and accounts for around 90% of water use. Following the guidelines of the European Water Framework Directive, we promote stakeholder involvement in water management with the aim to achieve an improved understanding of the water system and to encourage the exchange of knowledge and views between stakeholders in order to help building a shared vision of the system. At the same time, the resulting models, which integrate the different sectors and views, provide some insight of the impacts that different management options and possible future scenarios could have. The methodology is based on a Bayesian network combined with an economic model and, in the middle Guadiana sub-basin, with a crop model. The resulting integrated modelling framework is used to simulate possible water policy, market and climate scenarios to find out the impacts of those scenarios on farm income and on the environment. At the end of the modelling process, an evaluation questionnaire was filled by participants in both sub-basins. Results show that this type of processes are found very helpful by stakeholders to improve the system understanding, to understand each others views and to reduce conflict when it exists. In addition, they found the model an extremely useful tool to support management. The graphical interface, the quantitative output and the explicit representation of uncertainty helped stakeholders to better understand the implications of the scenario tested. Finally, the combination of different types of models was also found very useful, as it allowed exploring in detail specific aspects of the water management problems.

Modelización de servicios ecosistémicos en una cuenca hidrológica del área mediterránea = Modeling ecosystem services in a mediterranean area river basin

La modelización es un proceso por el que se obtienen modelos de los procesos del ´mundo real´ mediante la utilización de simplificaciones. Sin embargo, las estimaciones obtenidas con el modelo llevan implícitas incertidumbre que se debe evaluar. Mediante un análisis de sensibilidad se puede mejorar la confianza en los resultados, sin embargo, este paso a veces no se realiza debido básicamente al trabajo que lleva consigo este tipo de análisis. Además, al crear un modelo, hay que mantener un equilibrio entre la obtención de resultados lo más exactos posible mediante un modelo lo más sencillo posible. Por ello, una vez creado un modelo, es imprescindible comprobar si es necesario o no incluir más procesos que en un principio no se habían incluido. Los servicios ecosistémicos son los procesos mediante los cuales los ecosistemas mantienen y satisfacen el bienestar humano. La importancia que los servicios ecosistémicos y sus beneficios asociados tienen, junto con la necesidad de realizar una buena gestión de los mismos, han estimulado la aparición de modelos y herramientas para cuantificarlos. InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradoffs) es una de estas herramientas específicas para calcular servicios eco-sistémicos, desarrollada por Natural Capital Project (Universidad de Stanford, EEUU). Como resultado del creciente interés en calcular los servicios eco-sistémicos, se prevé un incremento en la aplicación del InVEST. La investigación desarrollada en esta Tesis pretende ayudar en esas otras importantes fases necesarias después de la creación de un modelo, abarcando los dos siguientes trabajos. El primero es la aplicación de un análisis de sensibilidad al modelo en una cuenca concreta mediante la metodología más adecuada. El segundo es relativo a los procesos dentro de la corriente fluvial que actualmente no se incluyen en el modelo mediante la creación y aplicación de una metodología que estudiara el papel que juegan estos procesos en el modelo InVEST de retención de nutrientes en el área de estudio. Los resultados de esta Tesis contribuirán a comprender la incertidumbre involucrada en el proceso de modelado. También pondrá de manifiesto la necesidad de comprobar el comportamiento de un modelo antes de utilizarlo y en el momento de interpretar los resultados obtenidos. El trabajo en esta Tesis contribuirá a mejorar la plataforma InVEST, que es una herramienta importante en el ámbito de los servicios de los ecosistemas. Dicho trabajo beneficiará a los futuros usuarios de la herramienta, ya sean investigadores (en investigaciones futuras), o técnicos (en futuros trabajos de toma de decisiones o gestión ecosistemas). ABSTRACT Modeling is the process to idealize real-world situations through simplifications in order to obtain a model. However, model estimations lead to uncertainties that have to be evaluated formally. The role of the sensitivity analysis (SA) is to assign model output uncertainty based on the inputs and can increase confidence in model, however, it is often omitted in modelling, usually as a result of the growing effort it involves. In addition, the balance between accuracy and simplicity is not easy to assess. For this reason, when a model is developed, it is necessary to test it in order to understand its behavior and to include, if necessary, more complexity to get a better response. Ecosystem services are the conditions and processes through which natural ecosystems, and their constituent species, sustain and fulfill human life. The relevance of ecosystem services and the need to better manage them and their associated benefits have stimulated the emergence of models and tools to measure them. InVEST, Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradoffs, is one of these ecosystem services-specific tools developed by the Natural Capital Project (Stanford University, USA). As a result of the growing interest in measuring ecosystem services, the use of InVEST is anticipated to grow exponentially in the coming years. However, apart from model development, making a model involves other crucial stages such as its evaluation and application in order to validate estimations. The work developed in this thesis tries to help in this relevant and imperative phase of the modeling process, and does so in two different ways. The first one is to conduct a sensitivity analysis of the model, which consists in choosing and applying a methodology in an area and analyzing the results obtained. The second is related to the in-stream processes that are not modeled in the current model, and consists in creating and applying a methodology for testing the streams role in the InVEST nutrient retention model in a case study, analyzing the results obtained. The results of this Thesis will contribute to the understanding of the uncertainties involved in the modeling process. It will also illustrate the need to check the behavior of every model developed before putting them in production and illustrate the importance of understanding their behavior in terms of correctly interpreting the results obtained in light of uncertainty. The work in this thesis will contribute to improve the InVEST platform, which is an important tool in the field of ecosystem services. Such work will benefit future users, whether they are researchers (in their future research), or technicians (in their future work in ecosystem conservation or management decisions).

Modelización de servicios ecosistémicos en una cuenca hidrológica del área mediterránea = Modeling ecosystem services in a mediterranean area river basin

La modelización es un proceso por el que se obtienen modelos de los procesos del ´mundo real´ mediante la utilización de simplificaciones. Sin embargo, las estimaciones obtenidas con el modelo llevan implícitas incertidumbre que se debe evaluar. Mediante un análisis de sensibilidad se puede mejorar la confianza en los resultados, sin embargo, este paso a veces no se realiza debido básicamente al trabajo que lleva consigo este tipo de análisis. Además, al crear un modelo, hay que mantener un equilibrio entre la obtención de resultados lo más exactos posible mediante un modelo lo más sencillo posible. Por ello, una vez creado un modelo, es imprescindible comprobar si es necesario o no incluir más procesos que en un principio no se habían incluido. Los servicios ecosistémicos son los procesos mediante los cuales los ecosistemas mantienen y satisfacen el bienestar humano. La importancia que los servicios ecosistémicos y sus beneficios asociados tienen, junto con la necesidad de realizar una buena gestión de los mismos, han estimulado la aparición de modelos y herramientas para cuantificarlos. InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradoffs) es una de estas herramientas específicas para calcular servicios eco-sistémicos, desarrollada por Natural Capital Project (Universidad de Stanford, EEUU). Como resultado del creciente interés en calcular los servicios eco-sistémicos, se prevé un incremento en la aplicación del InVEST. La investigación desarrollada en esta Tesis pretende ayudar en esas otras importantes fases necesarias después de la creación de un modelo, abarcando los dos siguientes trabajos. El primero es la aplicación de un análisis de sensibilidad al modelo en una cuenca concreta mediante la metodología más adecuada. El segundo es relativo a los procesos dentro de la corriente fluvial que actualmente no se incluyen en el modelo mediante la creación y aplicación de una metodología que estudiara el papel que juegan estos procesos en el modelo InVEST de retención de nutrientes en el área de estudio. Los resultados de esta Tesis contribuirán a comprender la incertidumbre involucrada en el proceso de modelado. También pondrá de manifiesto la necesidad de comprobar el comportamiento de un modelo antes de utilizarlo y en el momento de interpretar los resultados obtenidos. El trabajo en esta Tesis contribuirá a mejorar la plataforma InVEST, que es una herramienta importante en el ámbito de los servicios de los ecosistemas. Dicho trabajo beneficiará a los futuros usuarios de la herramienta, ya sean investigadores (en investigaciones futuras), o técnicos (en futuros trabajos de toma de decisiones o gestión ecosistemas). ABSTRACT Modeling is the process to idealize real-world situations through simplifications in order to obtain a model. However, model estimations lead to uncertainties that have to be evaluated formally. The role of the sensitivity analysis (SA) is to assign model output uncertainty based on the inputs and can increase confidence in model, however, it is often omitted in modelling, usually as a result of the growing effort it involves. In addition, the balance between accuracy and simplicity is not easy to assess. For this reason, when a model is developed, it is necessary to test it in order to understand its behavior and to include, if necessary, more complexity to get a better response. Ecosystem services are the conditions and processes through which natural ecosystems, and their constituent species, sustain and fulfill human life. The relevance of ecosystem services and the need to better manage them and their associated benefits have stimulated the emergence of models and tools to measure them. InVEST, Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradoffs, is one of these ecosystem services-specific tools developed by the Natural Capital Project (Stanford University, USA). As a result of the growing interest in measuring ecosystem services, the use of InVEST is anticipated to grow exponentially in the coming years. However, apart from model development, making a model involves other crucial stages such as its evaluation and application in order to validate estimations. The work developed in this thesis tries to help in this relevant and imperative phase of the modeling process, and does so in two different ways. The first one is to conduct a sensitivity analysis of the model, which consists in choosing and applying a methodology in an area and analyzing the results obtained. The second is related to the in-stream processes that are not modeled in the current model, and consists in creating and applying a methodology for testing the streams role in the InVEST nutrient retention model in a case study, analyzing the results obtained. The results of this Thesis will contribute to the understanding of the uncertainties involved in the modeling process. It will also illustrate the need to check the behavior of every model developed before putting them in production and illustrate the importance of understanding their behavior in terms of correctly interpreting the results obtained in light of uncertainty. The work in this thesis will contribute to improve the InVEST platform, which is an important tool in the field of ecosystem services. Such work will benefit future users, whether they are researchers (in their future research), or technicians (in their future work in ecosystem conservation or management decisions).

La evolución del paisaje fluvial en la confluencia de los ríos Tajo y Jarama

La tesis doctoral que se presenta realiza un análisis de la evolución del paisaje fluvial de las riberas de los ríos Tajo y Jarama en el entorno de Aranjuez desde una perspectiva múltiple. Contempla y conjuga aspectos naturales, tales como los hidrológicos, geomorfológicos y ecológicos; también culturales, como la regulación hidrológica y la gestión del agua, las intervenciones en cauce y márgenes, la evolución de la propiedad y los cambios de usos del suelo, fundamentalmente. Este análisis ha permitido identificar el sistema de factores, dinámico y complejo, que ha creado este paisaje, así como las interrelaciones, conexiones, condicionantes y dependencias de los descriptores paisajísticos considerados. Por ejemplo, se han estudiado las relaciones cruzadas observadas entre dinámica fluvial-propiedad de la tierra-estado de conservación, cuestiones que hasta la fecha no habían sido tratadas, evaluadas o cuantificadas en otros trabajos dedicados a esta zona. La investigación se ha organizado en tres fases fundamentales que han dado lugar a los capítulos centrales del documento (capítulos 2, 3 y 4). En primer lugar, se ha realizado una caracterización de los factores, naturales y culturales, que organizan el paisaje de este territorio eminentemente fluvial (geomorfología, factores climáticos e hidrológicos, vegetación, propiedad de la tierra y elementos culturales de significación paisajística). A continuación, se ha realizado el estudio de la evolución del paisaje fluvial mediante el análisis de diversos elementos, previamente identificados y caracterizados. Para ello se han procesado imágenes aéreas correspondientes a cinco series temporales así como varios planos antiguos, obteniendo una amplia base de datos que se ha analizado estadísticamente. Finalmente, se han contrastado los resultados parciales obtenidos en los capítulos anteriores, lo que ha permitido identificar relaciones causales entre los factores que organizan el paisaje y la evolución de los elementos que lo constituyen. También, interconexiones entre factores o entre elementos. Este método de trabajo ha resultado muy útil para la comprensión del funcionamiento y evolución de un sistema complejo, como el paisaje de la vega de Aranjuez, un territorio con profundas y antiguas intervenciones culturales donde lo natural, en cualquier caso, siempre subyace. Es posible que la principal aportación de este trabajo, también su diferencia más destacada respecto a otros estudios de paisaje, haya sido mostrar una visión completa y exhaustiva de todos los factores que han intervenido en la conformación y evolución del paisaje fluvial, destacando las relaciones que se establecen entre ellos. Esta manera de proceder puede tener una interesante faceta aplicada, de tal manera que resulta un instrumento muy útil para el diseño de planes de gestión de este territorio fluvial. No en vano, una parte sustancial de la vega del Tajo-Jarama en Aranjuez es un Lugar de Importancia Comunitaria (LIC) y su posterior e ineludible declaración como Zona de Especial Conservación (ZEC) de la Red Natura 2000, de acuerdo con lo establecido en la Directiva 92/43/CE, exige la elaboración de un Plan de Gestión que, en gran medida, podría nutrirse de lo presentado, analizado e interpretado en este trabajo. En este sentido, conviene señalar la conciencia ya asumida de considerar, por su carácter integrador de la realidad territorial, el paisaje como elemento clave para la gestión adecuada de la naturaleza y el territorio. Por otra parte, se considera que los resultados de esta Tesis Doctoral permitirían plantear medidas para la puesta en valor de un paisaje sobresaliente, cuyos límites sobrepasan con creces los que en la actualidad conforman el Paisaje Cultural declarado por la UNESCO. En suma, el análisis de este espacio fluvial realizado con la profundidad y amplitud que permite el método de trabajo seguido puede utilizarse para el diseño de estrategias que dirijan la evolución de este territorio en una línea que garantice su conservación global en términos paisajísticos, patrimoniales y ecológicos, permitiendo además, de este modo, su uso equilibrado como recurso económico, cultural o educativo. This doctoral thesis shows an analysis of fluvial landscape evolution from multiple perspectives on the banks of Tagus and Jarama rivers, around Aranjuez. The thesis contemplates and combines natural features, such as hydrological, geomorphological and ecological features, as well as cultural features, like hydrological regulation and water management, interventions in channels and margins, changes in ownership and land use changes, mainly. This analysis has allowed to identify the factors system, dynamic and complex, that this landscape has created, as well as the interrelationships, connections, constraints and dependencies among considered landscape descriptors. For example, we have studied the relationships observed among fluvial dynamics- land ownership -conservation status, issues not addressed, assessed or quantified up to now in other works about this area. The research is organized into three major phases that led to the paper's central chapters (Chapters 2, 3 and 4). First, there has been a characterization of the factors, both natural and cultural, that organize the landscape of this predominantly fluvial area (geomorphology, climate and hydrological factors, vegetation, land and cultural elements of landscape significance). Then, it was made to study of fluvial landscape evolution by analyzing various elements previously identified and characterized. Aerial images were processed for five series and several old maps, obtaining an extensive database, that has been analyzed statistically. Finally, we have contrasted the partial results obtained in the previous chapters, making it possible to identify causal relationships between the factors that organize the landscape and the evolution of the elements that constitute it. This working method has been very useful for understanding the operation and evolution of a complex system, as the landscape of the Vega de Aranjuez, a territory with deep and ancient cultural interventions where anyway, nature feature always lies. It is possible that the main contribution of this work, also its most prominent difference compared with other studies of landscape, has been to show a complete and exhaustive view of all factors involved in the formation and evolution of the fluvial landscape, highlighting the relationships established among them. This approach could have an interesting applied facet, so that is a very useful tool for designing management plans on this river territory. Not surprisingly, a substantial part of the valley of the Tagus-Jarama in Aranjuez is a Site of Community Importance (SCI) and their subsequent and inevitable declaration as Special Area of Conservation (SAC) of the Natura 2000 network, in accordance with the provisions Directive 92/43/EC, requires the development of a management plan that largely could draw on what was presented, analyzed and interpreted in this paper. In this regard, it should be noted conscience and assumed to consider, on the inclusiveness of territorial reality, the landscape as a key element for the proper management of nature and territory. On the other hand, it is considered that the results of this thesis allow to propose measures for enhancement of outstanding scenery, which go well beyond the boundaries that currently the Cultural Landscape declared by UNESCO. In sum, the analysis of this river area made with the depth and breadth that enables working method can be used to design strategies that address the evolution of this territory in a line that guarantees global conservation landscape terms, heritage and ecological, also, allowing its use as a balancing economic, cultural or educational resource.

Supporting decision making under uncertainty: Development of a participatory integrated model for water management in the middle Guadiana river basin.

Following the Integrated Water Resources Management approach, the European Water Framework Directive demands Member States to develop water management plans at the catchment level. Those plans have to integrate the different interests and must be developed with stakeholder participation. To face these requirements, managers need tools to assess the impacts of possible management alternatives on natural and socio-economic systems. These tools should ideally be able to address the complexity and uncertainties of the water system, while serving as a platform for stakeholder participation. The objective of our research was to develop a participatory integrated assessment model, based on the combination of a crop model, an economic model and a participatory Bayesian network, with an application in the middle Guadiana sub-basin, in Spain. The methodology is intended to capture the complexity of water management problems, incorporating the relevant sectors, as well as the relevant scales involved in water management decision making. The integrated model has allowed us testing different management, market and climate change scenarios and assessing the impacts of such scenarios on the natural system (crops), on the socio-economic system (farms) and on the environment (water resources). Finally, this integrated assessment modelling process has allowed stakeholder participation, complying with the main requirements of current European water laws.

Guidelines for the design of an environmental flow regime program at the regional scale: Application of the ELOHA framework in the Ebro River basin

La gestión de los recursos hídricos se convierte en un reto del presente y del futuro frente a un panorama de continuo incremento de la demanda de agua debido al crecimiento de la población, el crecimiento del desarrollo económico y los posibles efectos del calentamiento global. La política hidráulica desde los años 60 en España se ha centrado en la construcción de infraestructuras que han producido graves alteraciones en el régimen natural de los ríos. Estas alteraciones han provocado y acrecentado los impactos sobre los ecosistemas fluviales y ribereños. Desde los años 90, sin embargo, ha aumentado el interés de la sociedad para conservar estos ecosistemas. El concepto de caudales ambientales consiste en un régimen de caudales que simula las características principales del régimen natural. Los caudales ambientales están diseñados para conservar la estructura y funcionalidad de los ecosistemas asociados al régimen fluvial, bajo la hipótesis de que los elementos que conforman estos ecosistemas están profundamente adaptados al régimen natural de caudales, y que cualquier alteración del régimen natural puede provocar graves daños a todo el sistema. El método ELOHA (Ecological Limits of Hydrological Alteration) tiene como finalidad identificar las componentes del régimen natural de caudales que son clave para mantener el equilibrio de los ecosistemas asociados, y estimar los límites máximos de alteración de estas componentes para garantizar su buen estado. Esta tesis presenta la aplicación del método ELOHA en la cuenca del Ebro. La cuenca del Ebro está profundamente regulada e intervenida por el hombre, y sólo las cabeceras de los principales afluentes del Ebro gozan todavía de un régimen total o cuasi natural. La tesis se estructura en seis capítulos que desarrollan las diferentes partes del método. El primer capítulo explica cómo se originó el concepto “caudales ambientales” y en qué consiste el método ELOHA. El segundo capítulo describe el área de estudio. El tercer capítulo realiza una clasificación de los regímenes naturales de la cuenca (RNC) del Ebro, basada en series de datos de caudal mínimamente alterado y usando exclusivamente parámetros hidrológicos. Se identificaron seis tipos diferentes de régimen natural: pluvial mediterráneo, nivo-pluvial, pluvial mediterréaneo con una fuerte componente del caudal base, pluvial oceánico, pluvio-nival oceánico y Mediterráneo. En el cuarto capítulo se realiza una regionalización a toda la cuenca del Ebro de los seis RNC encontrados en la cueca. Mediante parámetros climáticos y fisiográficos se extrapola la información del tipo de RNC a puntos donde no existen datos de caudal inalterado. El patrón geográfico de los tipos de régimen fluvial obtenido con la regionalización resultó ser coincidente con el patrón obtenido a través de la clasificación hidrológica. El quinto capítulo presenta la validación biológica de los procesos de clasificación anteriores: clasificación hidrológica y regionalización. La validación biológica de los tipos de regímenes fluviales es imprescindible, puesto que los diferentes tipos de régimen fluvial van a servir de unidades de gestión para favorecer el mantenimiento de los ecosistemas fluviales. Se encontraron diferencias significativas entre comunidades biológicas en cinco de los seis tipos de RNC encontrados en la cuenca. Finalmente, en el sexto capítulo se estudian las relaciones hidro-ecológicas existentes en tres de los seis tipos de régimen fluvial encontrados en la cuenca del Ebro. Mediante la construcción de curvas hidro-ecológicas a lo largo de un gradiente de alteración hidrológica, se pueden sugerir los límites de alteración hidrológica (ELOHAs) para garantizar el buen estado ecológico en cada uno de los tipos fluviales estudiados. Se establecieron ELOHAs en tres de los seis tipos de RNC de la cuenca del Ebro Esta tesis, además, pone en evidencia la falta de datos biológicos asociados a registros de caudal. Para llevar a cabo la implantación de un régimen de caudales ambientales en la cuenca, la ubicación de los puntos de muestreo biológico cercanos a estaciones de aforo es imprescindible para poder extraer relaciones causa-efecto de la gestión hidrológica sobre los ecosistemas dependientes. ABSTRACT In view of a growing freshwater demand because of population raising, improvement of economies and the potential effects of climate change, water resources management has become a challenge for present and future societies. Water policies in Spain have been focused from the 60’s on constructing hydraulic infrastructures, in order to dampen flow variability and granting water availability along the year. Consequently, natural flow regimes have been deeply altered and so the depending habitats and its ecosystems. However, an increasing acknowledgment of societies for preserving healthy freshwater ecosystems started in the 90’s and agreed that to maintain healthy freshwater ecosystems, it was necessary to set environmental flow regimes based on the natural flow variability. The Natural Flow Regime paradigm (Richter et al. 1996, Poff et al. 1997) bases on the hypothesis that freshwater ecosystems are made up by elements adapted to natural flow conditions, and any change on these conditions can provoke deep impacts on the whole system. Environmental flow regime concept consists in designing a flow regime that emulates natural flow characteristics, so that ecosystem structure, functions and services are maintained. ELOHA framework (Ecological Limits of Hydrological Alteration) aims to identify key features of the natural flow regime (NFR) that are needed to maintain and preserve healthy freshwater and riparian ecosystems. Moreover, ELOHA framework aims to quantify thresholds of alteration of these flow features according to ecological impacts. This thesis describes the application of the ELOHA framework in the Ebro River Basin. The Ebro River basin is the second largest basin in Spain and it is highly regulated for human demands. Only the Ebro headwaters tributaries still have completely unimpaired flow regime. The thesis has six chapters and the process is described step by step. The first chapter makes an introduction to the origin of the environmental flow concept and the necessity to come up. The second chapter shows a description of the study area. The third chapter develops a classification of NFRs in the basin based on natural flow data and using exclusively hydrological parameters. Six NFRs were found in the basin: continental Mediterranean-pluvial, nivo-pluvial, continental Mediterranean pluvial (with groundwater-dominated flow pattern), pluvio-oceanic, pluvio-nival-oceanic and Mediterranean. The fourth chapter develops a regionalization of the six NFR types across the basin by using climatic and physiographic variables. The geographical pattern obtained from the regionalization process was consistent with the pattern obtained with the hydrologic classification. The fifth chapter performs a biological validation of both classifications, obtained from the hydrologic classification and the posterior extrapolation. When the aim of flow classification is managing water resources according to ecosystem requirements, a validation based on biological data is compulsory. We found significant differences in reference macroinvertebrate communities between five over the six NFR types identified in the Ebro River basin. Finally, in the sixth chapter we explored the existence of significant and explicative flow alteration-ecological response relationships (FA-E curves) within NFR types in the Ebro River basin. The aim of these curves is to find out thresholds of hydrological alteration (ELOHAs), in order to preserve healthy freshwater ecosystem. We set ELOHA values in three NFR types identified in the Ebro River basin. During the development of this thesis, an inadequate biological monitoring in the Ebro River basin was identified. The design and establishment of appropriate monitoring arrangements is a critical final step in the assessment and implementation of environmental flows. Cause-effect relationships between hydrology and macroinvertebrate community condition are the principal data that sustain FA-E curves. Therefore, both data sites must be closely located, so that the effects of external factors are minimized. The scarce hydro-biological pairs of data available in the basin prevented us to apply the ELOHA method at all NFR types.

Laser remote sensing applications (LiDAR) in forest hydrology and the management of river ecosystems.

La utilización de sensores láser desde plataformas aéreas (LiDAR) ofrece nuevas posibilidades en el cartografiado de sistemas fluviales, tanto en áreas densamente cubiertas por vegetación, como en aquellas que presentan una escasa cubierta. La información topográfica de alta resolución que se obtiene a partir de las medidas láser puede ser utilizada en el análisis y estimación de diversas variables hidrológicas, y en el estudio de diferentes componentes del medio fluvial. Entre éstas, cabe citar la vegetación riparia, la morfología fluvial, el régimen hidrológico o el grado de alteración de los ecosistemas debido a las presiones de origen antrópico. La gestión del medio fluvial puede ser mejorada en gran medida gracias a la precisión y fiabilidad de esta información. En muchas ocasiones, el escaso relieve de los valles fluviales y la densa cubierta vegetal que existe en ellos han dificultado la aplicación de otras técnicas de teledetección. Sin embargo, los datos obtenidos mediante altimetría láser son especialmente aconsejables para estos trabajos, mediante análisis numéricos o a través de la simple interpretación de las imágenes obtenidas. Este artículo muestra las posibilidades de uso de los datos LiDAR en hidrología forestal y en la gestión de zonas húmedas, a lo largo de tramos con condiciones climáticas bien diferenciadas. En todas ellas, se comparan los resultados obtenidos mediante la aplicación de distinto software, con el fin de mostrar la mejor metodología de tratamiento de la información láser. Asimismo, se muestra la diferencia con otras técnicas de teledetección, y se muestra la fácil integración de los datos LiDAR con otras herramientas y metodologías de estudio de las variables citadas.